Герман Смирнов - Под знаком необратимости (Очерки о теплоте)

До сих пор поверхность нашей гипотетической планеты мы считали однородной. В действительности это не так. На земном шаре есть участки, покрытые снегом, песком, пустыней, травой, пашней. Снег отражает около 95 % излучения, песок — 43, пустыня — 30, луг — 20, пашня — 14 %. Находясь на освещенной стороне, пашня нагревается гораздо сильнее, чем снег, внося дополнительное усложнение в картину распределения температуры. Еще больше усложняет дело Мировой океан. Его поверхность отражает всего несколько процентов лучей, когда Солнце светит на него в упор, а вечером, когда светило у горизонта, океан отражает почти все излучение. Температура распределяется неодинаково не только пс поверхности, но и по глубине. Если на суше лучи поглощаются в тонком слое, то у воды и льда дело обстоит иначе. Даже на глубине 4 м можно еще обнаружить 4 % солнечного излучения.

А теперь настало время наложить на это уже достаточно сложное, причудливое распределение температур самый могущественный фактор, смазывающий остроту температурных пиков, — земную атмосферу с ее мощным механизмом теплопередачи — конвекцией. Соприкасаясь с нагретой солнцем пашней или пустыней, воздух нагревается здесь сильнее и устремляется вверх. Давление падает, в это место устремляются потоки воздуха с соседних, более холодных участков, и возникает ветер. Летом, когда суша нагревается сильнее, чем море, ветер устойчиво дует с океанов на материки. Зимой, наоборот, материки «обдувают» моря. Над экватором, разогретым солнцем, непрерывно поднимаются в небо огромные массы теплого воздуха, а на их место мчатся потоки из более холодных областей, создавая устойчивые ветры.

На полюсах массы воздуха охлаждаются, и именно отсюда они разносят холод по всей поверхности земли. Кроме холода, воздушные потоки разносят еще облака, которые непрерывно генерируются солнечными лучами, падающими на поверхность суши и Мирового океана.

Таким образом, атмосфера — это своего рода мельница, которая в жерновах теплопроводности, конвекции и теплового излучения «перемалывает» солнечные лучи, размазывает, размывает, сглаживает острые углы в температурной картине на поверхности нашей планеты. Но даже при действии этого необычайно мощного механизма смягчения температурных пиков разница между самым холодным и самым теплым местом на земном шаре может достигать 140 °C: в Антарктиде температура воздуха зимой падает иногда до минус 83 °C, а в Ливии летом поднимается до плюс 58 °C!

«Астрономия первая показала нам, что существуют законы. Наученные этим опытом, мы лучше разглядели наш собственный мир, где под кажущимся беспорядком нашли ту же гармонию, с которой нас познакомило изучение неба». Мы повторили еще раз эти слова Анри Пуанкаре для того, чтобы продолжить их словами русского физика Александра Столетова: «…но явления, наблюдаемые нами вблизи, оказались далеко не так просты, как небесные движения, или не допускали тех абстракций и упрощений. Собственно механические процессы идут рука об руку с более темными процессами — тепловыми, химическими, электрическими».

Только теперь, спустя почти столетие, мы можем в полной мере оценить проницательность нашего соотечественника. В то время как Пуанкаре имел в виду реальные механические процессы, Столетов смотрел на дело шире, ибо в его словах угадывается намек на принципиальное фундаментальное отличие биологических процессов от механических, да и от физических вообще…

Попробуйте порасспрашивать своих знакомых-автомобилистов об их машинах. Они вам сразу же и совершенно точно назовут мощность мотора, расход бензина, скорость и т. д. Но спросите у них, насколько уменьшается от износа вес шин или мотора? Они только пожмут плечами: в автомобиле их интересуют энергетические характеристики, а не происходящие в нем изменения. К биологическим объектам люди относятся совсем иначе. Родители, например, сразу скажут вам, каков рост их ребенка, сколько он прибавил в весе, какие слова научился говорить. Но спросите их, какова мощность ребенка? Сколько теплоты он выделяет в сутки? Сколько весит пища, потребляемая им в течение года? Они пожмут плечами: в детях их интересуют происходящие изменения, а не энергетические характеристики.

Этот пример приведен не для красного словца. На протяжении десятилетий отличием физика от биолога было то, что физик преимущественно интересовался энергетическими характеристиками изучаемых процессов, а биолог — происходящими в изучаемых организмах изменениями. Для физиков необратимость была главным образом источником потерь, помехой, устранение которой позволяло выделить явление в чистом виде. Для биологов устойчивость наблюдавшихся в живых организмах изменений явление настолько само собой разумеющееся, что они даже не задумывались о причинах такой устойчивости. Они даже не подозревали, что эти изменения устойчивы только потому, что благодаря необратимости сопровождаются выделением теплоты, как бы фиксируются возникающей во всех клетках организма энтропией. И это тепловыделение живого организма не досадная помеха, а фундаментальное свойство жизни. Вот почему биолог, который подобно физику попытался бы очистить биологические процессы от необратимости, с изумлением убедился бы, что такое «очищение» равносильно уничтожению биологии, ибо без необратимости немыслимы ни органы чувств, ни память, ни размножение. Короче говоря, без необратимости невозможна жизнь. Да и не только жизнь, но и само время…

Нет связи более явственной, более очевидной, чем связь необратимости и времени. «Пропущение времени смерти невозвратной подобно», — говорил некогда Петр I, имея в виду дела военные. «Весна моих промчалась дней… И ей ужель возврата нет?» — восклицал сто лет спустя А. Пушкин, говоря о делах сердечных. «Потеря времени отличается от потери материалов в том отношении, что его нельзя возвратить», — изрекал еще через столетие Генри Форд, говоря о делах промышленных. И только физики-теоретики на протяжении этих двухсот лет были убеждены, что время в принципе обратимо: ведь уравнения классической механики сохраняют свою справедливость, если знак времени сменить на противоположный. Это означает, что если в обратимом мире упругий шар из точки А перелетает в точку Б, то, поставив в точке Б упругий экран, нетрудно заставить шар совершить весь процесс в обратном порядке.

Но, оказывается, в этом правдоподобном рассуждении таится подводный камень. Хорошо, пусть шар совершает свои эволюции в обратимом мире. А где находятся часы, по которым мы измеряем время, затрачиваемое им на эти эволюции?